Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Биологические науки
Биофизика

Диссертационная работа:

Кондратьев Максим Сергеевич. Исследование механизма организации спиральной структуры олигопептидов : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 03.00.02 / Кондратьев Максим Сергеевич; [Место защиты: Ин-т теорет. и эксперим. биофизики РАН].- Пущино, 2009.- 123 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-1/469

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Актуальность проблемы 4

Цель и задачи исследования 7

Научная новизна 8

Практическая значимость работы 8

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9

1. Аминокислоты. Пептиды. Белки 9

2. Типы вторичных структур белков 13

3. Сворачивание белков и пептидов 20

Глава П. МЕТОДЫ 36

Общая характеристика методов компьютерной химии 36

Методы, основанные на представлениях молекулярных орбиталей 38

а) Полуэмпирические методы расчетов 42

б) Неэмпирические {ah initio) методы 46

Методы эмпирического силового поля (ММ и МД) 49

Поверхность потенциальной энергии 51

Детали расчетов. Повышение точности и калибровка 56

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 60

Глава III. Пространственная организация и свойства аминокислот 60

1. Общие свойства молекул 20 a-L-аминокислот в газовой фазе 60

2. Основные конформеры молекул аминокислот 69

Глава IV. Особенности электронного строения монопептидов 80

Глава V. Дипептиды, трипептиды и более длинные после
довательности 86

Глава VI. «Прямая» спирализация: многостадийность процесса 92

Глава VII. Терминирование «прямой» спирализации и «обратная»
спирализация 100

Глава VIII. Оценка влияния воды на процесс спирализации

олигопептида 107

1. Влияние молекул связанной воды на структуру цвиттер-иона 108

2. Влияние воды на процесс спирализации олигопептидов 109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112

ВЫВОДЫ 113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 114

Введение к работе:

Одним из важнейших биохимических процессов, на которых базируется жизнь, является синтез белка. Именно протеины определяют структуру и форму клетки, служат инструментами молекулярного узнавания и катализа. Будучи собранными всего из 20 типов аминокислот, каждая из которых обладает ярко выраженной химической индивидуальностью, белки характеризуются чрезвычайным разнообразием пространственной структуры, а также физических и биохимических свойств. Вообще говоря, реализация генетической программы любого организма, во многом, сводится к синтезу полипептидов, контролю этого процесса, сворачиванию и адресной доставке образующихся белков. При этом, для функционирования протеинов крайне важным является приобретение их молекулами определенной, уникальной пространственной организации (вторичной, третичной или даже четвертичной структур). Такой процесс, проходящий при физиологических условиях и характеризующийся переходом «от неупорядоченности - к порядку» называют «сворачиванием» или «фолдингом белка» [1]. С физической точки зрения, самоорганизация белковых структур относится (по классификации Пригожина) к классу явлений «возникновение порядка из порядка», т.е., говоря словами Шредингера, трехмерный «апериодический кристалл» структуры белка образуется в результате реализации заранее фиксированного порядка звеньев в его цепи. В целом, самоорганизация трехмерной структуры белков (и РНК, и кристаллов вообще) возникает из стремления молекул к термодинамическому равновесию и минимуму энергии.

Существующая «проблема фолдинга белка» весьма обширна и не нова - первые гипотезы о сворачивании линейных полипептидов относятся к 50-м годам прошлого века. Начиная с работ Анфинсена по денатурации-ренатурации рибонуклеазы [2], говорят, что все необходимые сведения о физиологически активном пространственном строении белка и его конформационных возможностях заключены в его аминокислотной

последовательности. В процессах свертывания и развертывания полипептидной цепи проявляется непосредственная связь между химическим и пространственным строением молекулы белка. При этом, строго говоря, обратимость сворачивания-разворачивания справедлива не для всех белков, но факты, установленные для некоторых молекул, позволили утвердить тезис о том, что вся необходимая информация для определения нативной формы белка содержится именно в самой последовательности аминокислот. К тому же, трансляция линейного набора звеньев в трехмерную структуру возможна лишь при определенных физиологических условиях.

Несмотря на проведенное детальное рассмотрение отдельных стадий сворачивания молекулы белка, выявление и описание интермедиатов фолдинга, несколько ключевых вопросов остались недостаточно сконкретизированными. В частности, вопрос о том, каким образом на том или ином месте полипептидной цепи формируются участки с альфа- или бета-структурой - этими доминантными способами укладки полипептидного остова в глобулярных белках. Традиционно считается, что данные способы упаковки белка обусловлены не столько специфическими взаимодействиями боковых остатков аминокислот, сколько регулярным формированием водородных связей между пептидными группами внутри самой полипептидной цепи. Однако, при всем многообразии экспериментальных и теоретических данных, свидетельствующих о важной роли стерических факторов, гидрофобности, электростатических потенциалов и других характеристик в организации альфа-спиралей, уникальный, зависящий от аминокислотной последовательности, физический механизм альфа-спиральной нуклеации требует значительного уточнения.

До недавнего времени в теоретических работах в этой области крайне редко учитывались соотношения энтальпийно-энтропийных вкладов, а также особенности колебательно-вращательной динамики систем такого типа. Поэтому, в целом, исследования влияния состава аминокислотной последовательности на образование того или иного типа вторичной

структуры белка не потеряли своей актуальности и в настоящее время. Поиск ответа на поставленный вопрос: «каков механизм сворачивания белка?» — остается одной из самых любопытных задач как для классической протеомики, так и для современной молекулярной биофизики.

Сегодня, в ходе работ в этой области, наряду с современными прецизионными экспериментальными методиками исследований, широкое применение находят и теоретические (компьютерные, in silico) молекулярно-механические и квантово-химические подходы. При этом, наиболее совершенные теоретические квантово-химические методы расчета характеристик электронной структуры молекул достигают (а подчас и превышают) по точности результаты, полученные при использовании многих экспериментальных методик. Несомненно, важной и привлекательной особенностью квантово-химических подходов является возможность с одинаковым успехом исследовать свойства как экспериментально наблюдаемых структур,- так и по каким-либо причинам ненаблюдаемых, модельных молекулярных систем. При этом изучаемые объекты могут быть легко модифицируемы таким образом, чтобы наиболее четко выявить вклад какого-либо четко детерминированного структурного параметра или взаимодействия в исследуемую характеристику. Вместе с тем, драматизм ситуации заключается в том, что многие энергетические эффекты, лежащие в основе обсуждаемой проблемы, зачастую лежат на грани величин ошибок используемых методов моделирования (~1 ккал/моль), а традиционные экспериментальные техники оказываются неспособными зарегистрировать тонкие молекулярные перестройки даже в максимально «чистых» системах in vitro.

Цель и задачи исследования

ЦЕЛЬ данного исследования заключается в том, чтобы на основе учета особенностей электронного строения аминокислотных остатков детализировать и развить физический механизм сворачивания альфа-спирали.

В рамках поставленной цели представлялось важным решить следующие задачи:

1) Теоретически проанализировать и систематизировать структурные,
энергетические, зарядовые и колебательно-динамические особенности всех
20 протеиногенных L-аминокислот и ряда пептидов. Выделить основные
факторы, которые могут определять существование «внутренней
предрасположенности» аминокислотного остатка к образованию того или
иного типа вторичной структуры олигопептида;

2) На основе полученных результатов дополнить известный
нуклеационный механизм формирования первого витка альфа-спирали, а
именно обосновать ключевую роль кислых и основных аминокислотных
остатков не только в стабилизации спиральных участков, а вообще в
инициировании спиральной структуры; описать возможный механизм такого
процесса;

3) Методами молекулярной динамики исследовать начальную стадию
процесса образования спиралей в олигопептидах разного состава и оценить
термодинамические характеристики отдельных стадий такого процесса;
изучить зависимость процесса спирализации от природы олигопептида и
наличия терминирующих факторов.

Научная новизна

В работе впервые теоретически проведены подробные и последовательные структурные исследования широкого класса молекул - от аминокислот до олигопептидов. Структурные характеристики были оценены в едином квантово-химическом полуэмпирическом (а в ряде случаев - и в неэмпирическом) приближении. Динамическое поведение молекул анализировалось методами молекулярной динамики в силовом поле AMBER и OPLS. Нестандартной и важной особенностью данной работы является одновременный учет поведения большого набора параметров молекулы: не только поведения классических торсионных углов «фи» и «пси», но и термодинамических, спектральных характеристик, дипольных моментов, инерциальных дефектов, химических жесткостей, а также энергетик и локализаций вакантных и заполненных орбиталей молекул при анализе структурной организации аминокислот и олигопептидов.

Анализ полученных нами и известных из литературы данных позволил не только предложить и обосновать новую классификацию всех основных конформеров аминокислот, но и впервые постулировать ключевую роль бифуркационного внутримолекулярного водородного связывания [3] в инициировании альфа-спиральной организации молекул олигопептидов, содержащих заряженные аминокислотные остатки аспартата, глутамата, аргинина, лизина и гистидина.

Практическая значимость работы

Полученные результаты имеют как фундаментальное значение - для понимания биофизических механизмов ранних стадий сворачивания белков и пептидов - так и прикладное: могут быть использованы в биоинженерии при рациональном дизайне новых биомакромолекул с заданной пространственной структурой или «запрограммированной» кинетикой перехода «клубок-спираль».

Подобные работы
Ефремов Руслан Геннадьевич
Исследование структуры и механизма функционирования ретиналь-содержащих мембранных белков: кристаллизация и фиксация промежуточных состояний белков в кристаллах
Тараховский Юрий Семенович
Липидный бислой и небислойные структуры в организации и функционировании биологических мембран
Исламов Ахмед Хусаинович
Сравнительное исследование структуры и свойств липидных мембран с помощью рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей
Гришковский Борис Анатольевич
Исследование структуры водородных связей тройной спирали коллагенового типа
Бойцов Виктор Михаилович
Анализ спектров флуоресценции производных нафтиламина для исследования структуры клеточных мембран и их составляющих
Котельникова Раиса Алексеевна
Исследование структуры и функций Са2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума методом люминесценции и ЭПР
Антипина Мария Николаевна
Исследование структуры и физико-химических свойств планарных модельных молекулярных и биомолекулярных систем, получаемых методом Ленгмюра-Блоджетт
Будяк Иван Леонидович
Исследование структуры и свойств мембранных рецепторов : рецептора фактора роста эпидермиса человека и галобактериального трансдьюсера
Шенкарев Захар Олегович
Исследование структуры и динамики каналообразующего антибиотика зервамицина-IIB в мембрано-моделирующих средах методом спектроскопии ЯМР
Пустовалова Юлия Евгеньевна
Исследование пространственной структуры трансмембранного домена проапоптозного белка BNIP3 методом спектроскопии ЯМР

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net